基于光纖bragg光柵的鋼-混凝土組合橋面板模型損傷檢測(cè)

基于光纖bragg光柵的鋼-混凝土組合橋面板模型損傷檢測(cè)

鋼-混凝土聯(lián)合橋面板是一種新型的橋面板結(jié)構(gòu)。通過焊接鋼帶的螺釘和預(yù)制pbl剪切力堅(jiān)定器將鋼帶和混凝土結(jié)合起來，可以顯著減少大橋的重量。顯然鋼和混凝土的整體性直接影響橋面及鋪裝層的工作狀態(tài),從而影響大橋結(jié)構(gòu)的耐久性和行車的舒適性。為此,需用鋼-混凝土組合橋面板模型試驗(yàn),研究在疲勞荷載作用下混凝土與鋼板的粘附性及混凝土的抗疲勞開裂特性。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的破壞形式主要表現(xiàn)為以下3種類型:(1)滑移:混凝土與鋼板之間沿界面的滑移;(2)掀起(脫空):混凝土掀起,即混凝土與鋼板交界面處脫空;(3)裂縫:混凝土開裂。按斷裂力學(xué)理論,橋面板的裂縫屬于混凝土材料的張開型斷裂,滑移為鋼-混凝土界面的滑開型斷裂,掀起為鋼-混凝土界面的張開型斷裂。對(duì)于鋼板和混凝土界面損傷的準(zhǔn)確檢測(cè),一直是工程檢測(cè)的一個(gè)難題,因?yàn)閾p傷發(fā)生部位的隨機(jī)性,要求傳感器具有分布式檢測(cè)能力,除此之外,傳感器還須同時(shí)對(duì)鋼和混凝土兩者的狀態(tài)敏感。常規(guī)的點(diǎn)式電測(cè)儀器,比如應(yīng)變片,對(duì)此無能為力,目前,國內(nèi)外還沒有適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法。對(duì)于裂縫的檢測(cè),傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感元件,受環(huán)境影響較大,有溫漂和零漂的影響;振弦式傳感器由于鋼弦蠕變的原因,其長期穩(wěn)定性欠佳;且二者均不適用用于鋼-混凝土界面損傷的檢測(cè)。近年來發(fā)展起來的光纖Bragg光柵(FBG)傳感器用于結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測(cè),經(jīng)國內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)證明其具有小型化,靈敏度高,響應(yīng)快,測(cè)值可靠,準(zhǔn)分布式檢測(cè),無零漂,無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而成為智能結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測(cè)的首選[3~9]。為此,在模型試驗(yàn)中采用了20只特制的高精度光纖Bragg光柵傳感器,圓滿完成了鋼-混凝土組合橋面板模型試驗(yàn)中的損傷測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)翔實(shí),規(guī)律性良好,與試驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象彼此吻合。1傳感器原理、選擇和切換1.1應(yīng)變值的確定光纖Bragg光柵(FBG)能夠?qū)μ囟úㄩL的光發(fā)生反射,此波長稱為該FBG的中心波長(Bragg波長)。若光柵承受軸向應(yīng)變?chǔ)?會(huì)使中心波長發(fā)生偏移ΔλB,且有:式中,λB為反射光中心波長,eP為有效光彈系數(shù)。故采用相應(yīng)的解調(diào)儀(譜分析儀或波長儀)測(cè)得ΔλB即可確定FBG埋設(shè)點(diǎn)的應(yīng)變值。被檢測(cè)材料受力后多會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段:(1)彈性階段:受力初期材料處于彈性階段,傳感器測(cè)得埋設(shè)點(diǎn)的應(yīng)變值;(2)損傷階段:當(dāng)損傷發(fā)生后,傳感器測(cè)得損傷值,如縫寬等(材料彈性應(yīng)變已釋放)。本試驗(yàn)成功的利用FBG傳感器測(cè)出以上兩階段的臨界點(diǎn),并追蹤損傷的發(fā)展過程,為橋面板組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了可靠、有效的信息依據(jù)。1.2fbgron鑒于迄今尚無適用于界面損傷檢測(cè)用的FBG傳感器產(chǎn)品,根據(jù)組合橋面板實(shí)驗(yàn)的受力特點(diǎn)和模型情況,光纖傳感器的選型設(shè)計(jì)如下:(1)FBG滑移傳感器(圖1(a)),長60mm,在鋼板頂面水平安裝,其一端緊固結(jié)在鋼板上,另一端嵌入混凝土中。(2)FBG掀起傳感器(圖1(b)),長60mm,在橋面板中豎直安裝,兩端分別固結(jié)在鋼板和混凝土中。(3)FBG裂縫傳感器(圖1(c)),長500mm,借助預(yù)埋角鋼水平安裝在混凝土頂面。采用Instron_4302數(shù)字式拉伸試驗(yàn)機(jī)(美InstronCo.)對(duì)FBG裂縫傳感器進(jìn)行了檢驗(yàn)。質(zhì)檢結(jié)果見圖2,圖中線條為擬合直線,從中可見,傳感器線性度較好,表明成品質(zhì)量合格。2fbg傳感器測(cè)量本試驗(yàn)用的鋼-混凝土組合橋面板模型長5.0m,寬2.4m,沿其縱軸線支承于工字形鋼梁上,承受負(fù)彎矩,兩側(cè)為自由邊界。橋面板底部鋼板厚8mm,混凝土厚120mm(兩翼)~200mm(中部),為C40鋼纖維混凝土,鋼纖維用量為100kg/m3。圖3為傳感器安裝示意圖。用5個(gè)滑移傳感器(h1～h5)測(cè)量工字形鋼梁上翼板頂面與混凝土界面的縱向應(yīng)變值(滑移出現(xiàn)前)或縱向滑移量(滑移后),4個(gè)滑移傳感器(h6～h9)測(cè)量PBL剪力鍵側(cè)面與混凝土豎向界面的橫向應(yīng)變值(滑移出現(xiàn)前)或滑移量(滑移后),2個(gè)滑移傳感器(h10～h11)測(cè)量鋼板頂面與混凝土界面的橫向應(yīng)變值(滑移出現(xiàn)前)或滑移量(滑移后)。用5個(gè)掀起傳感器(x1～x5)沿模型中梁上翼板縱向分布,測(cè)量混凝土與中梁上翼板頂面界面處的垂向應(yīng)變值(掀起出現(xiàn)前)或脫空量(掀起后)。由于模型試驗(yàn)混凝土裂縫的始發(fā)部位當(dāng)出現(xiàn)在由負(fù)彎矩誘發(fā)的組合橋面板的高拉應(yīng)力區(qū),所以在該部位布置了4只FBG裂縫傳感器(L1～L4)。另埋入測(cè)溫FBG傳感器,做溫度補(bǔ)償用。試驗(yàn)采用了傳統(tǒng)電測(cè)應(yīng)變片與FBG傳感器同時(shí)測(cè)量,以便進(jìn)行對(duì)比。利用SI425型光纖光柵解調(diào)儀(美MOICo.)對(duì)FBG傳感器信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。試驗(yàn)過程如圖4所示。3fbg傳感器縱向承載裂縫試驗(yàn)試驗(yàn)經(jīng)歷了3個(gè)階段:靜載階段、300萬次循環(huán)疲勞加載試驗(yàn)階段、破壞試驗(yàn)階段。靜載試驗(yàn)階段分為11個(gè)加載步,其荷載量各為:0—20—40—50—60—63.52—70—78.28—80—83.66—0(單位:kN),加載穩(wěn)定時(shí)采集數(shù)據(jù),共進(jìn)行了三個(gè)循環(huán)。疲勞試驗(yàn)階段施加等振幅諧波動(dòng)荷載,各于振動(dòng)1萬—5萬—25萬—50萬—100萬—150萬—200萬—210萬—255萬—300萬次后,再逐級(jí)(按前述靜載階段)施加靜荷載進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在靜載和疲勞測(cè)試階段,各個(gè)FBG傳感器測(cè)值較小,且隨著循環(huán)次數(shù)增加,測(cè)值呈遞減趨勢(shì)。這符合一般經(jīng)驗(yàn),其機(jī)理在于混凝土材料原生裂紋的壓密。從疲勞循環(huán)1萬次開始,混凝土表面有橫向微裂紋出現(xiàn),但直至疲勞階段結(jié)束,模型表面并無縱向承載裂縫出現(xiàn)。由于測(cè)值遠(yuǎn)小于普通混凝土的極限拉應(yīng)變(約150με),說明在靜載和疲勞階段,模型處于彈性工作階段,尚無斷裂損傷出現(xiàn)。破壞試驗(yàn)階段,FBG裂縫傳感器測(cè)值變化過程見圖5。圖5顯示:在前期的破壞試驗(yàn)中,FBG裂縫傳感器(L1、L2、L4)的測(cè)值隨加載增長的變化曲線在120kN附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)(L1、L2、L4各位于跨中面板的左右對(duì)稱兩側(cè))。此時(shí),L4讀數(shù)以應(yīng)變表示為87με。當(dāng)即目視檢查混凝土表面,在FBG裂縫計(jì)L4布控區(qū)域未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。荷載135kN時(shí),FBG傳感器測(cè)值繼續(xù)明顯增大,L4讀數(shù)以應(yīng)變表示為115.6με,相應(yīng)位置的千分表讀數(shù)反應(yīng)明顯,目視仍未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。至150kN時(shí),目視發(fā)現(xiàn)L1、L2、L4傳感器下方均已有連通的縱向裂縫,見圖6。綜上可以判識(shí),縱向承載裂縫開始于荷載120kN時(shí),縫寬0.039mm,相應(yīng)的應(yīng)變值為87με,位于傳感器L4所在位置處。緊接著傳感器L1、L2布控處出現(xiàn)縱向承載裂縫,目視未見裂縫的原因在于初始裂縫太細(xì)。荷載150kN時(shí)L1、L2和L4三個(gè)傳感器下方連通的縱向縫開始顯現(xiàn),此后隨著荷載增加,裂縫不斷發(fā)展,300kN荷載時(shí),L3傳感器布控部位開始開裂,至844kN時(shí),四傳感器測(cè)得的縫寬(多條裂縫總和)分別為:2.00mm、1.78mm、1.19mm和2.04mm。以傳感器L4布控的跨中右側(cè)部位應(yīng)變最大,其次為L1和L2布控區(qū)域,傳感器L3布控部位應(yīng)變最小,與應(yīng)變片電測(cè)結(jié)果基本吻合。破壞階段滑移傳感器h1~h5測(cè)值變化過程見圖7。測(cè)值明顯的反映了傳感器布設(shè)位置的對(duì)稱性。直至破壞實(shí)驗(yàn)終結(jié),滑移傳感器(h1~h5)的測(cè)值(絕對(duì)值)始終小于40με,表明其布控區(qū)域始終未出現(xiàn)滑移損傷。布設(shè)在跨中右側(cè)部位的FBG滑移傳感器h10、h11在破壞階段測(cè)值見圖8。圖中采用了雙縱坐標(biāo),在滑移出現(xiàn)前,應(yīng)按左縱坐標(biāo)讀應(yīng)變值,滑移后,應(yīng)按右縱坐標(biāo)讀滑移量。圖中↑所示處為滑移出現(xiàn)的臨界點(diǎn)。圖8顯示直至加載至220kN,FBG滑移傳感器(h10、h11)測(cè)值均按原先的規(guī)律平緩增長,當(dāng)加載至250kN時(shí),不僅測(cè)值驟增,而且變化規(guī)律也打破了原先的趨勢(shì)。傳感器h10繼續(xù)保持為負(fù)值,此刻的應(yīng)變值(絕對(duì)值)為75με,而h11則改變?yōu)檎怠Ｔ谠囼?yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)讀數(shù)驟增時(shí),試驗(yàn)人員隨即開展目視檢查,當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)模型跨中部位右側(cè)面出現(xiàn)了一段長約30cm的滑移縫,說明此時(shí)FBG傳感器h10布控點(diǎn)已出現(xiàn)滑移損傷,滑距為0.0045mm。為混凝土與鋼板水平界面的橫向滑移。經(jīng)綜合數(shù)據(jù)分析,判斷經(jīng)歷了300萬次循環(huán)疲勞加載之后,鋼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移損傷的臨界應(yīng)變值為75με。眾知,普通混凝土的極限拉應(yīng)變一般約為150με,加入鋼纖維誠然會(huì)使該值提高一些,但纖維對(duì)于鋼-混凝土界面的極限拉應(yīng)變并無助益。無疑在該界面上拉應(yīng)變極限值會(huì)低于混凝土內(nèi)部,而疲勞荷載又使該值進(jìn)一步降低,實(shí)測(cè)值75με符合一般經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)加載300kN時(shí),h10滑移傳感器布控處滑距增大為0.006mm,傳感器h11布控點(diǎn)應(yīng)變值超過75με,該點(diǎn)也開始滑動(dòng)。其后,h10與h11滑移增長趨勢(shì)分別發(fā)展:h10漸趨于0.008mm;而h11則持續(xù)增長,模型右側(cè)面暴露的滑移縫隨加載增長而逐步擴(kuò)展。PBL剪力鍵上四個(gè)滑移傳感器(h6~h9)破壞階段的測(cè)值見圖9。顯示荷載250kN時(shí),滑移傳感器h7應(yīng)變值達(dá)到86με時(shí)(首次超過75με)開始出現(xiàn)滑移,相應(yīng)滑距為0.0052mm。傳感器h8在荷載為393kN時(shí)出現(xiàn)滑移(應(yīng)變值為105με),滑距為0.0063mm。從結(jié)構(gòu)部位對(duì)稱性的角度,滑移傳感器h6與h9對(duì)稱,h7與h8位置對(duì)稱,圖9顯示的測(cè)值量級(jí)和變化規(guī)律與之恰相呼應(yīng)。4靜載與疲勞試驗(yàn)采用光纖Bragg光柵傳感器首次完成了鋼-混凝土組合橋面板模型斷裂損傷檢測(cè)。FBG檢測(cè)系統(tǒng)由20只特制的高精度光纖光柵應(yīng)變傳感器和光柵解調(diào)儀SI425(美MOICo.)組成,按本項(xiàng)測(cè)試的特點(diǎn)進(jìn)行了光纖傳感器的選型設(shè)計(jì)及安裝,傳感器全部存活。光纖檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)歷了靜載-疲勞-破壞三個(gè)加載階段而保持全程正常工作,特別是經(jīng)受了300萬次循環(huán)加載疲勞荷載等極限狀態(tài)的考驗(yàn)。綜上表明,光纖光柵傳感器及系統(tǒng)易于安裝,存活率高,檢測(cè)方便,質(zhì)量優(yōu)良,可靠耐用。在靜載與疲勞試驗(yàn)階段中,模型處在彈性階段,鋼-混凝土界面未出現(xiàn)滑移、掀起損壞,混凝土未出現(xiàn)承載縱向裂縫,光纖系統(tǒng)檢測(cè)到各級(jí)荷載產(chǎn)生的應(yīng)變值,表明組合板的承載能力和結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良。在模型破壞試驗(yàn)中,光纖傳感系統(tǒng)定量地、精細(xì)地檢測(cè)到滑移、掀起和縱向裂縫三種損壞現(xiàn)象和分布以及發(fā)展